高层建筑混凝土结构薄弱层及其计算注意事项

【前言】高层建筑混凝土结构薄弱层及其计算注意事项由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。对纯框架结构，楼层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8. 对非框架结构，侧向刚度比应计入层高影响。本层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.9,；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1,；对结构底部嵌固...

【摘 要】本文针对目前高层建筑混凝土结构中存在薄弱层的现象进行了细致的分析，提出了正确、完整的计算方法，为此类建筑结构的安全性和经济性提供了理论上的保证。

【关键词】薄弱层；时程分析法；非线性分析法

1 什么是高层建筑混凝土结构薄弱层

从概念设计方面考虑，高层建筑的竖向结构布置应规则、均匀，侧向刚度自下而上逐渐减小。这样，建筑物受力明确合理，地震作用下应力分布均匀，较容易采取抗震构造措施及进行细部处理，地震时较不容易破坏。所以作为结构设计人员，是不希望建筑结构竖向不规则的。但实际工作中，由于底层层高加高、抽柱、楼板开洞、错层、上宿下店等原因，不得不接触到一些竖向不规则的高层建筑。当然，造成竖向不规则的情况很多，但是请注意以下三条：

1.1 抗震设计时，高层建筑相邻楼层的侧向刚度变化应满足以下条件：

对纯框架结构，楼层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8.

对非框架结构，侧向刚度比应计入层高影响。本层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.9,；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1,；对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5.

1.2 A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。

这里，楼层抗侧力结构的受剪承载力是指所考虑的水平地震作用方向上，该层所有抗侧力构件（包括全部柱、剪力墙、斜撑）的实际受剪承载力之和，是依据实配钢筋的情况进行反算确定的。其中，柱的受剪承载力可以根据柱两端实配钢筋截面的受弯承载力按两端同时屈服的假定失效模式反算；剪力墙可根据实配钢筋按抗剪设计公式反算；斜撑的受剪承载力可计及轴力的贡献，且应考虑受压屈服的影响。

1.3 抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

以上三条中的每一条对于结构的竖向规则性都起着举足轻重的作用。规范规定：只要不满足其中一条，该层就应视为薄弱层。现归纳如下:高层建筑结构薄弱层是对于结构竖向布置规则性而言的，分三种情况：一是刚度不连续,二是强度不连续,三是竖向抗侧力构件不连续。总之，只要某层出现三条件之一，就应视为薄弱层。

这里请设计人员注意：目前的PKPM软件对于薄弱层的判断并不是完全自动的，所以结构设计人员必须运用概念设计理念并结合工程实际对计算模型和数据做认真分析，把薄弱层找出来。薄弱层的位置确定以后，我们首先应尽量争取采用可行的措施（如调整薄弱层及以下部位的刚度或者同建筑专业人员共同商讨个别构件的布置方式等办法），使结构中不再出现薄弱层；如果前者行不通，我们就要对薄弱层加以人工定义，然后在此基础上再进行更深层次的验算、调整及细部设计。

还有两点需提醒结构设计人员：规范规定，①如果高层建筑结构的某一楼层刚度和承载力均不满足上述条件，则该层极为薄弱，对抗震十分不利，应尽量避免，不宜采用。②在地震区不应使用底部全部为柱子、上层为剪力墙的结构。因为这样的建筑物上下刚度差别太大，震害严重。

2 有关高层建筑结构薄弱层的计算注意事项

如果薄弱层在实际工程中不得不出现，那么设计人必须要对薄弱层及相关部位进行计算和设计上的调整和加强，否则，地震来临时，薄弱部位就会发生严重的应力集中和弹塑性变形集中，从而导致薄弱层及以上建筑结构的损毁，甚至引起整幢建筑物的破坏或倒塌。由于具体工程的细部设计千差万别，无法面面俱到，故在这里不再赘述，只重点介绍一下有关薄弱层计算方面的注意事项。

大家知道：对于一般高层建筑结构，可只进行多遇地震作用下的内力和变形分析（多遇地震作用下，建筑处于正常使用状态，可以视为弹性体系，采用大家熟悉的振型分解反应谱进行弹性分析即可。当然框架梁及连梁等构件在截面设计时可考虑局部塑性变形引起的内力重分布。），并通过现行规范对于非抗震构件设计可靠性水准的提高，以达到小震不坏、中震可修的设防目标，然后通过概念设计和抗震构造措施来实现大震不倒的设防目标。但对于复杂的容易形成薄弱部位的高层建筑结构，尚需满足以下要求：

2.1 进行多遇地震下的内力和变形计算时，应注意以下内容：

2.1.1 应采用振型分解反应谱法进行计算，且应考虑扭转耦联震动影响对结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。

2.1.2 计算地震剪力时，薄弱层对应于地震作用标准值的剪力应乘以 1.25 的增大系数，并应符合最小地震剪力系数λ（即通常所说的剪重比）要求。

这里需要注意的是：对于薄弱层，λ尚应乘以1.15的系数。就是说：薄弱层对层剪力标准值乘以 1.25 的增大系数后其地震剪力系数不应小于表1中λ数值的 1.15倍。

2.1.3 应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。

2.1.4 应选用合适的计算模型进行分析，对复杂部位适当做简化处理，对其局部进行更细致的补充计算分析，宜按应力分析的结果校核配筋设计。

2.2 应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算(可只用于7~9度抗震设防时).

这里所谓的“补充计算”，主要是指对计算的底部剪力、楼层剪力和层间位移进行比较，如果时程法分析结果大于振型分解反应谱法分析结果，那么相关部位的构件内力和配筋应做相应的调整。

进行结构时程分析时应符合下列要求：

2.2.1 应按建筑场地类别和设计地震分组选取实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际地震记录的数量不应少于总数量的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符；弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结构的80%。

2.2.2 地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15s，地震波的时间间距可取0.01s和0.02s.

2.2.3 输入地震加速度的最大值可按表2采用。

注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

2.2.4 当取三组时程曲线进行计算时，结构地震作用效应宜取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值；当取七组及七组以上时程曲线进行计算时，结构地震作用效应可取时程法计算结果的平均值与振兴分解反应谱法计算结果的较大值。

2.3 对于下表3范围内带有薄弱层的高层建筑，尚宜采用非线性分析法（即弹塑性分析方法）进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。

在罕遇地震作用下，结构要进入弹塑性变形状态，这种变形往往要比弹性变形大很多（层间弹塑性位移角限值参见表4），故考虑结构的几何非线性计算是必要的，也较符合实际情况。

非线性分析一般有两种方法：静力的非线性分析（推覆法）和动力的非线性分析（塑性动力分析法）。

静力的非线性分析方法：是沿高度施加模拟地震作用的等效水平力，并由小到大逐步增加其强度，使结构由弹性状态逐步进入弹塑性状态，最终达到并超过规定的弹塑性位移。这是目前较为实用的简化的弹塑性分析技术，但因其具有一定的局限性和适用性，其结果需要工程经验判断。

动力非线性分析法：是将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程。这是较为严格的方法，它需要较高端的计算机软件和很好的工程经验判断，所以这也是难度较大的一种方法。

非线性分析方法综合考虑了材料的性能以及本构关系等因素，所以与弹性分析计算相比，其结果的可靠性有所提高。但由于分析软件的计算模型、结构阻尼的选取以及构件破损程度的衡量、有限元的划分等原因，存在较多的人为因素和经验因素。

正是因为考虑到弹塑性变形计算的复杂性，所以仅要求对设防烈度较高且高度较高的建筑（参见表3）进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。

3 结语

以人为本，全面发展，所以安全是重中之重，这就要求建筑师应该尽量将建筑艺术和力学规律相结合，做到防患于未然，在方案阶段力求避免在工程中存在明显的薄弱层（部位），从而给建筑带来不安全因素和人财物的浪费；当然也要求结构设计人员应加强对概念设计的理解和运用，对薄弱层的位置做出正确判断分析，并在计算和设计上加以足够重视，从而进行合理的调整和加强，以确保建筑物的安全度。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准 建筑抗震设计规范GB50011-2010

[2]中华人民共和国行业标准 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010